Mecatrónica Módulo 5: Componentes mecatrónicos

Mecatrónica Módulo 5: Componentes mecatrónicos Libro de Texto (Concepto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Universidad Técnica de Wroclaw, Polonia Proyecto ampliado de transferencia del concepto europeo para la calificación agregada de la Mecatrónica las fuerzas especializadas en la producción industrial globalizada Proyecto EU Nr. 2005-146319 MINOS, Plazo: 2005 hasta 2007 Proyecto EU Nr. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS**, Plazo: 2008 hasta 2010 El presente proyecto ha sido financiado con el apoyo de la Comisión Europea. Esta publicación (comunicación) es responsabilidad exclusiva de su autor. La Comisión no es responsable del uso que pueda hacerse da la información aquí difundida. www.minos-mechatronic.eu

Colaboradores en la elaboración y aprobación del concepto conjunto de eseñanza: Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn IMH, Spanien VUT Brno, Tschechische Republik CICmargune, Spanien University of Naples, Italien Unis, Tschechische Republik Blumenbecker, Tschechische Republik Tower Automotive, Italien Bildungs-Werkstatt ggmbh, Deutschland VEMAS, Deutschland Concepto conjunto de enseñanza: Libro de texto, libro de ejercicios y libro de soluciones Módulo 1-8: Fundamentos / Competencia intercultural y administración de proyectos / Técnica de fluidos / Accionamiento y mandos eléctricos / Componentes mecatrónicos / Sistemas y funciones de la mecatrónica / La puesta en marcha, seguridad y teleservicio / Mantenimiento y diagnóstico Módulo 9-12: Prototipado Rápido/ Robótica/ Migración Europea/ Interfaces Todos los módulos están disponibles en los siguientes idiomas: Alemán, Inglés, español, italiano, polaco, checo, húngaro Más Información Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel: + 49(0)371 531-23500 Fax: + 49(0)371 531-23509 Email: minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch oder www.minos-mechatronic.eu

Índice Componentes mecatrónicos 1 Sensores inductivos 6 1.1 Fundamentos básicos 6 1.2 Fundamentos teóricos 7 1.2.1 Circuito de resonancia 7 1.2.2 El circuito electrónico 9 1.3 Fundamentos básicos de construcción 10 1.3.1 Funcionamiento 10 1.3.2 Coeficientes correctores 13 1.3.3. Método de montaje 14 1.4. Sensores especiales 16 1.4.1 Sensor inductivo de anillo 16 1.4.2 Uso de sensores en campos electromagnéticos de elevada intensidad 17 1.4.3 Uso de sensores en condiciones adversas 18 1.5 Reconocimiento de la dirección del movimiento 19 1.6 Sensores NAMUR 20 1.7 Sensores inductivos analógicos 21 1.8 Corriente continua( CC) 22 1.9 Corriente alterna (AC) 23 1.10 Principios de conexión de los sensores 24 1.11 Medidas de protección y seguridad de sensores 26 1.12 Conexión de sensores a una red de comunicación 27 1.13 Aplicaciones 28

Componentes mecatrónicos 2 Sensores capacitivos 29 2.1 Introducción 29 2.2 Fundamentos teóricos 30 2.3 Funcionamiento de un sensor capacitivo 32 2.4 Tipos de sensores capacitivos 35 2.5 Influencia del material del objeto 37 2.6 Compensación de interferencias 39 2.7 Aplicaciones 40 3 Sensores de ultrasonido 42 3.1 Fundamentos básicos 42 3.2 Fundamentos teóricos 43 3.2.1 Propagación de las ondas sonoras en el aire 43 3.2.2 Influencia ambiental 46 3.2.3 El transformador de ondas sonoras 47 3.2.4 Generación de ondas ultrasónicas 50 3.3 Funcionamiento de un sensor de ultrasonido 54 3.3.1 Proceso de difusión 56 3.3.2 Modo unidireccional (through beam) 59 3.4 Fallos en el funcionamiento de sensores 61 3.4.1 Factores físicos 61 3.4.2 Factores de montaje 61 3.4.3 Sincronización de sensores 63 3.5 Sensores de ultrasonido especiales 64 3.5.1 Sensores reflexivos 64 3.5.2 Sensores de carcasa con transformador doble 67 3.6. Sensores de ultrasonido analógicos 69 3.7 Aplicaciones 70

Componentes mecatrónicos 4 Sensores fotoeléctricos 76 4.1 Características de diseño 76 4.2 Elementos fotoeléctricos 78 4.2.1 Fundamentos de física 78 4.2.1.1 Luz 78 4.2.1.2 Propiedades de la luz 80 4.2.2 Fotoemisores 82 4.2.2.1 Diodo luminoso (LED) 83 4.2.2.2 Diodo láser (LD) 86 4.2.3 Fotodetectores 88 4.2.3.1 Fotodiodos 91 4.2.3.2 Detectores de posición (PSD) 91 4.2.3.3 Detectores CCD (dispositivo de cargas eléctricas interconectadas) 92 4.2.3.4 Fototransistores 93 4.3 Clases de sensores 94 4.3.1 Barrera de luz unidireccional (Through Beam) 94 4.3.2 Sensores retroreflectivos 96 4.3.3 Filtro de luz 99 4.4 Procesamiento de señales 101 4.4.1 Fuentes de interferencias 101 4.4.2 Prevención de interferencias 103 4.4.2 1 Modulación de la luz 103 4.4.2.2 Polarización de la luz 104 4.4.3 Margen de operación 106 4.4.4 Distancia de trabajo 109 4.4.5 Tiempo de respuesta 111 4.5 Tipos especiales de sensores optoelectrónicos 112 4.5.1 Sensores retroreflectivos polarizados 112 4.5.2 Filtros para la eliminación de la influencia de fondo 113 4.5.3 Sensores retroreflectivos con auto colimación 117 4.5.4 Sensores de fibra óptica 118 4.5.4.1 Fibra óptica 118 4.5.4.2 Funcionamiento 121 4.6 Tecnología de conexión 123 4.6.1 Tipos de conexiones 123 4.6.2 Conmutación de la salida del sensor 124 4.7 Aplicaciones 126

Componentes mecatrónicos 5 Sensores de campo magnético 128 5.1 Fundamentos básicos 128 5.2 Fundamentos físicos 129 5.2.1 Campo magnético 129 5.2.2 Contacto Reed 132 5.2.3 El efecto Hall 134 5.2.4 Magnetorresistencia 135 5.2.5 El efecto Wiegand 136 5.3 Sensores de campo magnético con contacto Reed 137 5.4 Sensores Hall 140 5.5. Sensores especiales de campo magnético 141 5.5.1 Sensores magnetoresistentes 141 5.5.2 Sensores Wiegand 142 5.5.3 Sensores de campo magnético con un imán 144 5.6 Reglas de montaje 145 5.7 Aplicaciones 146

Componentes mecatrónicos 1 Sensores inductivos 1.1 Información básica Los sensores inductivos son los sensores que se utilizan más frecuentemente en sistemas automáticos para controlar la posición y el movimiento de los mecanismos que dirigen las máquinas y equipamiento. Su estructura compacta, fiabilidad y fácil instalación hacen su uso muy popular. Cuando un objeto metálico se encuentra en la zona de acción del sensor, el estado o el valor de la señal de salida del sensor varía. Un sensor inductivo está formado por los siguientes componentes básicos (Fig. 1.1): la cabeza que incluye una bobina de inducción con un núcleo de ferrita, un generador de corriente sinusoidal, un circuito de detección (comparador) y un amplificador de salida. Un circuito de inducción formado por la bobina y el núcleo de ferrita genera en torno al extremo del sensor un campo electromagnético variable de elevada frecuencia. Este campo induce una corriente de Focaoult (o corriente parásita) en el objeto metálico situado cerca del sensor. Esto produce una carga del circuito de inducción, disminuyendo como consecuencia la amplitud de oscilación. El cambio en la amplitud depende de la distancia entre el objeto de metal y el extremo del sensor. Si el objeto alcanza una distancia característica, la señal de salida cambia. En sensores analógicos el valor de la señal de salida es inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. OBJETO CABEZA DEL SENSOR GENERADOR SISTEMA DE DETECCIÓN SISTEMA DE SALIDA Figura 1.1: Esquema de un sensor inductivo 6

Componentes mecatrónicos 1.2 Fundamentos teóricos 1.2.1 Circuito de resonancia La fuente de un campo magnético variable en sensores inductivos es una bobina de inducción. Si la corriente que fluye a través de la bobina varía en el tiempo, el campo magnético en la bobina es también variable. Estos cambios están relacionados con el fenómeno de la autoinducción, esto es, la creación de un voltaje adicional en la bobina que contrarresta los cambios de la corriente. La energía eléctrica acumulada en los circuitos de resonancia se debe diferenciar entre la energía EL del campo magnético de la bobina de inducción y la energía Ec del campo eléctrico del condensador cargado. La energía total se mantiene siempre constante: E = EL + Ec = const. (Fig. 1.2). En la etapa inicial el circuito LC, integrado por la Bobina L y el condensador C, está abierto y la energía se encuentra almacenada en los electrodos del condensador cargado (1). Al cerrar el circuito eléctrico, el condensador comienza a descargarse y la corriente I comienza a fluir por el circuito. La intensidad de corriente pasa tener valor cero a la intensidad máxima Imax. Toda la energía del condensador se almacena en la bobina (2). Aunque el condensador ya está descargado, la corriente fluye en el circuito en la misma dirección. La corriente procedente de la autoinducción en la bobina, carga el condensador y la energía se transfiere de nuevo a este. Cuando la carga en el condensador es máxima la energía desaparece del circuito(3). El estado en la última fase es similar al de la etapa inicial, solo que en esta fase el condesador está cargado de manera inversa y la corriente fluye en sentido contrario. En todo circuito LC se producen las oscilaciones del campo eléctrico del condensador y del campo magnético de la bobina. Figura 1.2: Oscilaciones en un circuito LC 7

Componentes mecatrónicos En la realidad se producen siempre pérdidas adicionales de energía en todo circuito LC debidas a la propia resistencia de la bobina y el condensador. Estas se representan con la letra R. Como resultado de estas pérdidas las oscilaciones en un circuito con una resistencia RLC desaparecen (Fig. 1.3). Las oscilaciones del circuito pueden mantenerse constantes cuando este sea alimentado por una fuente externa de voltaje sinusoidal. Cuando la frecuencia de la fuente externa es igual a la frecuencia propia del circuito LC la amplitud alcanza su valor máximo. f frecuencia de la fuente externa sinusoidal, f0 frecuencia propia del circuito LC no amortiguado, L inductividad [Henry], C capacidad [Farad]. Bajo esta condición se produce la resonancia de las tensiones. Cuanto mayor sea el factor de calidad del circuito, mayor será la amplitud de las oscilaciones. El factor de calidad Q es una medida de las pérdidas generadas por la resistencia R en los elementos L y C. En un circuito sin pérdidas bajo condiciones de resonancia la resistencia R sería infinitamente grande. Cuanto mayor sean las pérdidas en el circuito, más pequeña será la resistencia y el factor de calidad será menor. Figura 1.3: Oscilaciones de circuitos LC y RLC : a) circuito LC no amortiguado; b) circuito RLC sin fuente externa; c) circuito RLC alimentado por una fuente externa sinusoidal 8

Componentes mecatrónicos 1.2.2 El circuito eléctrico En generadores que presentan un circuito de resonancia formado por una bobina y un condensador se emplean también amplificadores operacionales o transistores para mantener las oscilaciones. Para generar oscilaciones deben cumplirse dos condiciones: de fases y de amplitud. La condición de fases implica que la fase de la tensión de entrada sea igual a la fase de la tensión de salida. La condición de amplitud requiere que el amplificador compense en su totalidad el amortiguamiento en el circuito de resonancia. En este caso el generador mismo produce la señal que mantiene las oscilaciones. Las condiciones de fases y de amplitudes se cumplen cuando el circuito LC está dividido correctamente o se utiliza un transformador acoplado. Las oscilaciones de tensión y corriente se generan en el circuito LC formado por una bobina y un condensador. La corriente conectada al circuito LC le transmite una parte de su energía mediante la carga del condensador y mantiene las oscilaciones en el circuito. Cuando la energía suministrada es igual a la energía que se pierde, se alcanza el equilibrio y la amplitud en el circuito LC se mantiene constante así como las oscilaciones no son amortiguadas ( Fig. 1.4a) La señal de salida depende del factor de calidad Q del circuito de resonancia. Cuanto menor sea el factor de calidad, la señal de salida será menor (Fig. 1.4b). Los generadores LC generan vibraciones cuya frecuencia es mayor que unas pocas decenas de miles de hercios. Cuando la frecuencia es menor, se requiere una inductividad L del circuito de resonancia demasiado grande. En este caso es difícil alcanzar un elevado factor de calidad y las bobinas son de un tamaño relativamente grande. Figura 1.4: El circuito electrónico: a) Generador LC con un amplificador que compensa el amortiguamiento en el circuito, b) nivel de la señal de salida para diferentes valores de Q. 9

Componentes mecatrónicos 1.3 Fundamentos básicos de construcción 1.3.1 Funcionamiento La parte activa de un sensor inductivo contiene una bobina enrollada en torno a un núcleo de ferrita que crea un campo magnético. El núcleo de ferrita con el circuito magnético abierto intensifica el campo de la bobina y lo orienta hacia la zona de medida del sensor. Al cambiar el campo magnético se genera un campo eléctrico. Cuando un conductor se encuentra en este campo eléctrico variable, un campo magnético aparece en torno a las líneas del campo eléctrico (Fig. 1.5), que contrarresta al campo magnético de la bobina y sustrae una parte de la energía del circuito de resonancia. El valor del factor de calidad se reduce porque las pérdidas en el circuito de resonancia se modifican. Mientras que el conductor se encuentre en el campo magnético de la bobina, la amplitud de la oscilación sera amortiguada. Si se elimina el conductor, se reduce la amortiguación hasta que la amplitud alcanza el valor inicial. conductor Campo magnético de corrientes eddy Campo magnético de la bobina Amplitud Amplitud Bobina Núcleo ferromagnético Tiempo Tiempo Figura 1.5: Objeto metálico en el campo magnético de una bobina con el núcleo de ferrita. 10